bơm
Trên Hình 2.12 chúng tôi đã trình bày sơ đồ quang tử của khuếch đại quang Raman. Để tiến hành khảo sát hiệu ứng tán xạ Raman tự phát trong sợi quang đơn mốt tiêu chuẩn SMF-28 khi được bơm bằng laser diode công suất thấp có bước sóng phát xạ trong vùng 1470 – 1471 nm khi không có tín hiệu quang cần khuếch đại, chúng tôi đã sử dụng các kỹ thuật thực nghiệm sau:
- Sử dụng 1-3 laser bơm có thể hoạt động độc lập với nhau và lối ra của từng
laser được nối với bộ cộng công suất quang do vậy chúng tôi có thể sử dụng tùy ý một hoặc cả ba laser nhờ đó có thể thay đổi công suất quang bơm của laser vào sợi quang.
- Sử dụng hoặc không sử dụng sợi đệm CAVO-OTTICO-SMR/KM1 trong
thực nghiệm nhằm thu thập thông tin về vai trò của sợi đệm.
- Sử dụng bộ ghép/tách kênh theo bước sóng WDM 1480/1550nm để kết hợp
nguồn quang bơm và tín hiệu cần khuếch đại.
- Sử dụng bộ cộng công suất để cộng công suất quang cho các bước sóng
1470nm (cổng 1470) 1471nm (cho cổng 1475) và 1480nm (cổng 1480).
- Môi trường Raman là sợi nhạy quang, sợi DCF và sợi quang đơn mốt tiêu
chuẩn SMF – 28 có chiều dài từ 25 km đến 90 km trong phòng thí nghiệm.
- Máy phân tích phổ quang OSA có nhiệm vụ đo và ghi nhận các thông số của
hiệu ứng tán xạ Raman tự phát của hệ khi bơm laser vào sợi quang.
- Các tham số của sợi SMF-28 và sợi DCF được trình bày trong Bảng 2.2:
Bảng 2.2: Các tham số sợi SMF-28 và DCF
Các tham số Sợi SMF-28 Sợi bù tán tắc DCF
Hệ số tán sắc D (ps/nm.km) 16,75 -85 Hệ số suy hao (dB/km) 0,2 0,65 Đường bao tán sắc S (ps/nm2
km) 0,075 -0,17 Thiết diện vùng hiệu dụng Aeff (µm2) 80 22
Do vùng bước sóng tán xạ Raman tự phát (sóng Stokes) phải trùng với vùng bước sóng của tín hiệu quang cần khuếch đại và cần có cường độ phát xạ Stokes đủ mạnh nên chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu sự phụ thuộc của công suất phát xạ Raman tự phát vào công suất của laser bơm để đưa ra công suất bơm tối ưu. Kết quả khảo sát hiệu ứng tán xạ Raman tự phát trong sợi quang được trình bày trong Bảng 2.3. Công suất bơm được thay đổi từ 150 mW đến 881 mW để có thể thu nhận rõ phổ phát xạ sóng Stokes trong vùng 1550nm được khuếch đại (ASE) dọc theo sợi quang.
Bảng 2.3: Công suất phát xạ sóng Stokes phụ thuộc công suất bơm
Pp(mW) 150 170,3 190,6 210,9 231,2 251,5 271,8 292,1 312,4 332,7 353,1 PASE(dBm) -52,3 -49,4 -47,9 -46,5 -45,6 -44,8 -44,6 -43,4 -42,8 -42,2 -41,8 373,4 393,7 414 434,3 454,6 474,9 495,2 515,5 535,8 556,1 576,4 596,7 617 -41,4 -41,0 -40,6 -40,1 -39,9 -39,6 -39,3 -39,1 -38,9 -38,7 -38,3 -38,2 -38,1 637,3 657,6 677,9 698,2 718,5 738,8 759,2 779,5 799,8 820,1 840,4 860,7 881 -37,8 -37,6 -37,4 -37,2 -37 -36,8 -36,6 -36,4 -36,2 -36,1 -35,9 -35,7 -35,5
Hình 2.17: Cường độ phát xạ sóng Stokes theo công suất bơm khi L là 90 km
Hình 2.17 biểu diễn đồ thị thay đổi cường độ của ASE của sóng Stokes đo tại bước sóng 1550nm dọc theo sợi quang phụ thuộc vào công suất bơm. Chúng tôi nhận thấy cường độ phát xạ sóng Stokes thu được khi bơm bằng laser có bước sóng 1470-1471nm sẽ tăng nhanh trong vùng công suất bơm từ 200 mW đến 800 mW
trong sợi DCF (4km) kết hợp với sợi SMF-28 (25-90 km). Ngoài vùng công suất bơm này cường độ phát xạ sóng Stokes có thể sẽ tăng chậm dần và gần như đạt giá trị bão hòa khi công suất bơm lớn hơn 1000 mW, tuy nhiên vì điều kiện công suất nguồn bơm không cho phép nên chúng tôi chưa khảo sát được. Đây có thể là vấn đề cần được nghiên cứu sâu hơn nữa về cấu trúc và vật liệu cấu tạo sợi quang khi cường độ bơm giảm dần dọc theo sợi quang truyền tín hiệu.
Hình 2.18: Phổ phát xạ Raman tự phát (sóng Stokes) trong vùng 1550 nm dịch 90 nm về vùng sóng dài so với bước sóng laser bơm 1470-1471 nm
Hình 2.18 mô tả phổ phát xạ sóng Stokes của hiệu ứng tán xạ Raman tự phát dọc theo sợi quang thử nghiệm (DCF+SMF-28). Phổ tán xạ Stokes trong sợi quang silica lần đầu tiên được quan sát thấy tại Việt nam do: có nguồn quang bơm đủ mạnh và thích hợp với sợi silica thương mại SMF-28, cấu trúc của bộ khuếch đại quang Raman là tiêu chuẩn. Phổ phát xạ Stokes trong sợi quang silica SMF-28 có các đặc trưng như sau: độ rộng phổ 34nm tại vùng cường độ phát xạ giảm -3dB (tương tự độ rộng phổ FWHM đo bằng đơn vị công suất mili-watt); đỉnh cực đại của phổ Stokes dịch 90 nm về vùng bước sóng dài so với bước sóng bơm. Các kết quả đo ASE của sóng Stokes phù hợp với các kết quả nghiên cứu trên thế giới [96].
Với công suất laser bơm cực đại 880mW tại bước sóng 1470-1471nm và chiều dài sợi quang là 90 km chúng tôi thu được cường độ sóng Stokes trong sợi quang silica đạt đến -35 dBm trong vùng bước sóng 1550 nm trùng khớp hoàn toàn với vùng phổ tín hiệu quang cần khuếch đại đang sử dụng trong mạng viễn thông quang
WDM. Kết quả nhận được này có ý nghĩa quan trọng trong việc chế tạo khuếch đại quang Raman cho tuyến thông tin quang hiện hành.
2.8. Kết quả khảo sát khuếch đại quang bằng hiệu ứng Raman cƣỡng bức
Các thiết bị khuếch đại tín hiệu quang hoặc điện đều phải đưa ra các thông số chung như sau:
- Băng tần khuếch đại của thiết bị. Trong khuếch đại quang, băng tần được
tính bằng vùng bước sóng có khuếch đại (nm).
- Hệ số khuếch đại của thiết bị. Trong các hệ thống thông tin, hệ số khuếch đại
có đơn vị là decibel: G (dB) = 10 log [(Pout (mW)/Pin (mW)].
- Công suất ra bão hòa của thiết bị khuếch đại được tính bằng đơn vị miliwatt
hoặc bằng dBm: (dBm)= 10 log [ (mW)/ 1(mW)].
- Thông số nhiễu của thiết bị khuếch đại. Trong hệ thống thông tin, hệ số tạp
âm (Noise Figure-NF) được tính bằng đơn vị decibel (dB).
Hình 2.19: Phổ của tín hiệu quang phát xạ từ laser bán dẫn DFB
Để tiến hành khảo sát các tính chất của khuếch đại quang sử dụng hiệu ứng tán xạ Raman cưỡng bức, chúng tôi sử dụng nguồn laser bán dẫn đơn mốt DFB phát xạ tại bước sóng 1552nm. Tín hiệu quang cần khuếch đại tại bước sóng 1552nm có
công suất được đưa vào sợi quang thông tin SMF-28 đồng thời với chùm
Độ rộng phổ của tín hiệu quang phát xạ từ laser DFB đo được là 0.1nm (xem Hình 2.19). Hiệu ứng tán xạ Raman cưỡng bức xảy ra khi đồng thời có mặt hai bước sóng ánh sáng trong môi trường Raman (sợi quang).
Băng tần của khuếch đại quang Raman đã chế tạo được xác định bằng phổ ASE của sóng Stokes được khuếch đại dọc sợi quang trong quá trình lan truyền.
Thực nghiệm thu được băng tần khuếch đại (nm) = 34nm với đỉnh phổ tại bước
sóng 1561nm. Cần lưu ý rằng, phổ ASE của khuếch đại Raman không đối xứng qua đỉnh phổ như các loại khuếch đại quang EDFA hoặc SOA. Tuy nhiên, theo quy tắc chọn lựa băng tần khuếch đại của thiết bị, chúng ta lấy các điểm cường độ phát xạ giảm một nửa (3dB) so với cường độ đỉnh về hai phía của cực đại phổ để xác định băng tần khuếch đại. Hình 2.20 biểu diễn băng tần khuếch đại của thiết bị xác định bằng độ rộng phổ của ASE của sóng Stokes.
Hình 2.20: Phổ ASE của sóng Stokes có đỉnh cực đại tại =1561nm và độ rộng
phổ = 34nm tại vị trí -3dB so với đỉnh
Công suất ra bão hòa của thiết bị khuếch đại quang Raman chưa xác định được trong khuôn khổ luận án do công suất nguồn bơm còn bị hạn chế ở mức dưới 1W. Cần lưu ý rằng hiệu ứng tán xạ Raman cưỡng bức là hiệu ứng quang phi tuyến, vì vậy hệ số khuếch đại và công suất của tín hiệu khuếch đại tỷ lệ với bình phương của công suất quang bơm, nhưng trong môi trường dẫn sóng là sợi quang, chúng ta phải đối mặt với nhiều hiệu ứng suy hao quang, vì vậy mật độ năng lượng bơm
giảm theo quy luật mũ theo chiều dài sợi quang, và có thể gây ra hiệu ứng hấp thụ tín hiệu quang khi mật độ năng lượng bơm nhỏ hơn ngưỡng khuếch đại.
Hai thông số quan trọng nhất của thiết bị khuếch đại quang Raman đã chế tạo là hệ số khuếch đại G và hệ số tạp âm NF được khảo sát rất chi tiết nhằm đánh giá khả năng đưa vào tuyến thông tin quang thực tế. Hệ số G và thông số NF được đo đạc khi thay đổi công suất quang bơm từ 200 mW đến 880 mW tại các bước sóng 1470 nm và 1471 nm. Các thông tin về hệ số G và thông số NF của thiết bị khuếch đại cho phép nhà khai thác mạng quyết định sử dụng chúng vào các mục đích khác nhau trên tuyến thông tin quang. Bảng 2.4. trình bày các kết quả đo hệ số G và thông số NF của thiết bị khuếch đại khi bơm bằng 02 bước sóng 1470nm và 01 bước sóng 1471 nm trong cấu hình không sử dụng sợi đệm CAVO-OTTICO- SMR/KM1. Thí nghiệm này cho phép đánh giá hiệu ứng tán xạ Raman cưỡng bức xảy ra trong môi trường sợi quang silica thuần nhất.
Chúng tôi có nhận xét rằng hệ số khuếch đại G đạt 3 dB (khuếch đại 2 lần cường độ tín hiệu quang vào) khi công suất quang bơm > 300 mW. Tuy nhiên, thông số NF nằm trong vùng 8-9dB sẽ gây ra nhiễu khá lớn cho tín hiệu quang khuếch đại. Hệ số khuếch đại quang đạt 11,11 dB và thông số NF=3,68 dB khi công suất quang bơm đạt đến 880 mW cho thấy khuếch đại quang Raman đã chế tạo đáp ứng được yêu cầu sử dụng trên tuyến thông tin quang thực tế. Thiết bị khuếch đại quang Raman đang sử dụng trên tuyến thông tin tại Việt nam có hệ số G xấp xỉ 10-
12 dB và thông số NF 3,7 dB, vì vậy có thể đánh giá bộ khuếch đại quang chế tạo
trong khuôn khổ luận án đã đáp ứng được mục tiêu đặt ra. Phần so sánh các thông số của các thiết bị khuếch đại Raman thương mại và chế tạo sẽ trình bày trong phần cuối cùng của chương này.
Bảng 2.4: Hệ số khuếch đại G và thông số nhiễu phụ thuộc vào công suất bơm
Pbơm (mW) Hệ số tạp âm NF (dB) Hệ số khuếch đại G (dB)
200 11,12 2,0076
250 10,22 2,46768
300 9,54 2,88827
400 7,97 4,13425 450 7,24 4,88535 500 6,67 5,58029 550 6,1 6,37701 600 5,61 7,12109 650 5,13 7,9494 700 4,75 8,65838 750 4,38 9,44808 800 4,09 10,09389 880 3,68 11,11524
Hình 2.21 chỉ ra đường cong phụ thuộc của hệ số khuếch đại G vào công suất quang bơm tại bước sóng 1470-1471nm. Chúng tôi nhận thấy rằng đồ thị phụ thuộc
không thực sự tuyến tính, quy luật biến đổi của G theo P là phức tạp, có thể
do nhiều yếu tố ảnh hưởng đến hệ số G trong môi trường sợi quang silica chưa được khảo sát kỹ lưỡng. Thí dụ, khi công suất quang bơm tăng từ 200 mW đến 400 mW, đường công biểu thị theo quy luật mũ, tuy nhiên trong vùng công suất 400-800mW quy luật này bị phá vỡ, đường cong mũ gần như trở thành tuyến tính. Bản chất của các hiện tượng này cần được nghiên cứu kỹ hơn trong các công việc tiếp theo.
Hình 2.21: Hệ số khuếch đại G phụ thuộc công suất quang bơm
Hình 2.22 trình bày sự phụ thuộc của thông số NF vào công suất bơm. Sự phụ thuộc của NF vào công suất bơm là phi tuyến và phù hợp với các tính toán về NF cho khuếch đại quang Raman. Cần lưu ý rằng các kết quả nghiên cứu về khuếch đại quang Raman đã chỉ ra thông số NF của chúng luôn luôn nhỏ hơn NF của các bộ khuếch đại quang EDFA hoặc SOA đã sử dụng đại trà trên tuyến thông tin quang
hàng thập kỷ qua. Tuy nhiên, khi công suất bơm yếu, thông số NF khá cao, vì vậy tính ưu việt của khuếch đại quang Raman không còn (khi so sánh với NF của SOA trong khoảng 6-8dB và EDFA >4dB).
Hình 2.22: Thông số nhiễu NF phụ thuộc công suất bơm
Hình 2.23: Phổ tín hiệu chưa khuếch đại (1) và tín hiệu đã được khuếch đại (2)
khi L= 90 km, 880 mW)
Hình 2.23 mô tả phổ phát xạ của tín hiệu quang chưa được khuếch đại (đường 1) và đã được khuếch đại bằng hiệu ứng tán xạ Raman cưỡng bức (đường 2) khi chiều dài sợi quang là 90km. Kết quả chỉ ra rằng tín hiệu đã được khuếch đại lên 11dB, độ rộng phổ và bước sóng tín hiệu không thay đổi trong quá trình khuếch đại. So sánh phổ tín hiệu quang đã khuếch đại và phổ ASE của thiết bị, chúng tôi nhận thấy rằng mặc dù tín hiệu khuếch đại đã tăng lên 11 dB, nhưng phổ ASE
không thay đổi cả về cường độ và độ rộng phổ. Kết quả này khác với phổ tín hiệu đã khuếch đại của EDFA như sau: đối với EDFA khi tín hiệu quang được khuếch đại, cường độ phổ ASE giảm mạnh do nguyên lý phát xạ cưỡng bức trong môi trường 3 mức năng lượng có đảo mật độ phân bố, còn đối với RFA cường độ phổ ASE hầu như không thay đổi (xem Hình 2.24) do không có mô hình đảo mật độ phân bố các ion pha tạp được kích thích, phát xạ cưỡng bức về một hướng chỉ xảy ra cho một bước sóng phù hợp với dao động quay riêng biệt của phân tử mạng nền, còn các phát xạ Stokes do các dao động quay khác vẫn không thay đổi (phát xạ
trong góc đặc 4 như cũ). Đây cũng là đặc trưng cơ bản để đánh giá thông số NF
của khuếch đại quang Raman nhỏ hơn so với EDFA do cường độ ASE của chúng nhỏ hơn (SNR nhỏ).
Hình 2.24: Phổ ASE và phổ tín hiệu quang đã khuếch đại của EDFA (hình trên) và của khuếch đại quang Raman đã chế tạo (hình dưới)
2.9. Kết quả khảo sát khuếch đại quang Raman khi sử dụng sợi đệm
Chức năng của sợi đệm làm tăng cường hiệu ứng tán xạ Raman tự phát của nguồn bơm khi đưa vào trong sợi quang cùng với tín hiệu cần khuếch đại. Sợi đệm có cấu trúc đặc biệt về dẫn sóng (tạo bù trừ tán sắc mạnh) và thành phần pha tạp
(nồng độ GeO2 cao hơn so với sợi SMF-28), độ dài của sợi đệm tùy thuộc vào chức
năng của bộ khuếch đại.
Trong các thiết bị khuếch đại quang Raman, hiện đang sử dụng tại Việt nam, sợi đệm có độ dài khoảng 70 - 100m và được ghép nối ngay trước nguồn laser bơm vào sợi. Trong thử nghiệm của chúng tôi, sợi đệm CAVO-OTTICO-SMR/KM1 (sợi
được pha tạp 18% GeO2) được sử dụng nhằm tăng cường hiệu ứng tán xạ Raman
cưỡng bức trong thiết bị. Các kết quả thí nghiệm thu được có giá trị công nghệ nhất định như: thu thập thông tin đầy đủ về vai trò của sợi đệm về tăng cường hệ số G và thông số NF trong thiết bị khuếch đại Raman bơm ngược và bơm cùng chiều, đánh giá kỹ thuật ghép nối sợi đệm trong cấu hình của khuếch đại…
Thực nghiệm cho thấy khi có sợi đệm nối với nguồn quang bơm, hệ số khuếch đại quang của thiết bị Raman đã tăng lên hơn 2 dB khi bơm công suất quang 300 mW và tăng đến 5 dB khi bơm ngược chiều với công suất quang 880 mW (trên độ dài sợi quang 90 km trong phòng thí nghiệm).
2.10. So sánh các thông số của khuếch đại Raman thƣơng mại và chế tạo
Khuếch đại quang Raman đang sử dụng trên tuyến thông tin quang quân sự 1A &QB là loại RMPM1300 của hãng Alcatel – Lucent. Bộ khuếch đại này được sử dụng cho những tuyến có cự ly dài, tốc độ bit từ 10 Gb/s trở lên với thiết bị ghép bước sóng 1626LM. Nó được lắp vào trước bảng mạch khuếch đại đường dây phía đầu thu (LOFA) của thiết bị 1626LM (bơm ngược).
Các thông số kỹ thuật của Bộ khuếch đại:
- Bơm bằng kỹ thuật cộng công suất quang với 03 laser bán dẫn, công suất
mỗi nguồn laser 500 mW, tổng cộng công suất bơm thực lớn hơn 1200mW.